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1前言

各种铝材制品在加工生产中,为了达到防腐装饰的目的,常常需要进行阳极氧化和封闭后处理。经过封闭的氧化膜,才能大大提高耐蚀性和其它性能。目前国内外铝材生产使用的封闭方法较多,如沸水法、铬酸盐法、Ni-Co系法、低温Ni-F系法等。传统的沸水法以其无污染的优点一直被广泛使用。但该法很容易出现封闭氧化膜起粉霜现象,影响氧化膜的外观质量和漆层与基材结合力。批量生产时,常采用无机酸浸洗或在封闭液中直接加入防粉剂这2种防粉措施。添加防粉剂方法省工省时,不破坏氧化膜的质量,防粉效果好,已在多种封闭液中使用。防粉剂一般是高分子表面活性剂。

本文针对铝材氧化膜封闭起粉霜现象进行试验,选出性能适宜的表面活性剂作防粉剂,确定去离子水沸水法防粉封闭工艺,并用于生产。

2封闭与防粉机理

2.1封闭机理

多孔层的阳极氧化膜具有较高的化学活性,容易被环境污染引起基体腐蚀。沸水法封闭氧化膜时,发生热封孔反应为:

Al2O3+H2O→2AlOOH(Al2O3·H2O)氧化膜发生水化作用,即氧化铝与水反应生成稳定的晶型水合化合物,体积膨胀,封闭了膜孔,使氧化膜失去活性,提高了氧化膜的耐蚀性[1]。起粉是封闭过程中产生的一种副反应。通常水越纯净,封闭质量越优,越易产生粉霜。自来水中含有大量的Ca2+,Mg2+等离子,使封闭氧化膜耐蚀性较差。去离子水封闭氧化膜耐蚀性提高,起粉现象却较为严重。关于粉霜的形成有几方面的原因:①去离子水较纯净,在氧化膜表面的润湿性较差,而且温度较高,容易造成在氧化膜表面生成大量的水合物。②封闭液中带进了有害杂质离子。③膜孔中溶解出的Al3+扩散到膜表面发生水化反应,形成网状粉霜[2]。总之,粉霜主要是由于氧化膜表面的氧化铝水合物所致。因此,要想除去粉霜必须阻止或减缓膜表面的水化反应。

2.2表面活性剂的性质及作用

表面活性剂也称界面活性剂,是在低浓度下大幅度降低溶液界面张力的有机化合物。分子中同时含有亲水的极性基团(如羟基、羧基、硫酸基、氨基和醚键等)和憎水的非极性基团(如各种C-H链等),按其结构分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型4种。溶液中的表面活性剂通过极性基和非极性基在界面的吸附,定向排列形成界面膜,降低了溶液的表面张力,表现出较强的界面活性。随着表面活性剂浓度的增加,所形成的胶束界面膜更加致密,表面张力逐渐达到最小值,此时表面活性剂的浓度为胶束临界浓度。胶束的形成增大了难溶物在溶液中的溶解度,从这方面来说表面活性剂也具有增溶性。

由于表面活性剂具有的界面活性,胶束化及增溶性,在溶液中常表现出润湿、乳化、发泡、分散和渗透等作用。在封闭液中作防粉剂主要是利用其易在氧化膜表面上吸附,并形成界面吸附膜,有效地阻止或减缓了氧化膜表面的水化反应,防止了粉霜的形成。其次利用表面活性剂的润湿渗透性,促进封闭液向膜孔内部的渗透,加速孔内的水化反应,增强封闭效果。此外表面活性剂还兼有抑雾、絮凝和去污的作用。

2.3表面活性剂的选择

表面活性剂的使用首先应遵循一般的选择原则:①吸附强度要适当,即亲疏平衡值HLB和非极性烃基分子量适中。②加入量适当。③稳定性好,寿命长。④毒性小、COD、BOD值要小。生产中多采用阴离子型表面活性剂(YS)和非离子型表面活性剂(FS),二者的性质比较见表1[3]:

表1非离子型、阴离子型表面活性剂性能比较

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润湿性发泡性水洗性CMC可溶性与金属反应

YS好大差大小有

FS差小好小大无

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YS性能较适宜,价格便宜,过去使用较多。FS的亲水基团在水溶液中不发生离解,呈分子状,所以稳定性高,不易受强电解质、无机盐、酸、碱的影响。FS还在多方面优于YS,且随着表面活性剂工业的迅速发展,新型、多功能、低成本的FS应用越来越普遍[4]。去离子水热封闭无有害物污染,所以防粉剂也必须具有无毒、稳定的基本性能,以保证该法的优点。首先选出亲水性良好的阴离子型和非离子型的表面活性剂:YS1和FS1进行试验。发现二者均有一定的防粉效果。根据以上选择原则、性能对比,确定选用FS1作为防粉剂,它是含醚键的非离子型表面活性剂,HLB值在14以上,界面活性高,润湿性好,稳定性高,低泡,无毒,CMC值小,在低浓度下具有很好的表面活性,既能使封闭氧化膜达到优质水平,又能保证封闭液无有害物污染。

2.4FS1浓度的确定

以12号硬铝型材为试样,采用生产线上常规预处理后,进行硫酸阳极氧化,膜厚10~20μm。然后在去离子水封闭试验槽中封闭,温度93℃,时间25min,封闭液中加入不同浓度的FS1,封闭氧化膜外观见表2:

表2FS1浓度与氧化膜外观

当FS1浓度低于0.04ml/L时,仍有起粉现象,防粉效果不明显;当浓度大于0.25ml/L时,虽然防粉效果较好,但封闭液中出现大量泡沫,造成氧化膜表面产生斑痕,难以洗掉。表面活性剂的浓度为CMC时,界面张力最低,所以用量多在CMC的附近范围[5]。

2.5去离子水防粉热封闭工艺:

去离子水中加入:

FS1:0.06~0.18ml/LPH:5~6(HAC或稀H2SO4调整)温度:90~96℃时间:20~28min

3封闭质量检验

3.1目视检查

氧化膜外观要求无粉霜、无斑痕。

3.2耐蚀性检验

点滴溶液:HCl25ml,K2Cr2O73g,蒸馏水75ml。点滴实验在氧化膜封闭处理3小时内进行。从点滴液滴在氧化膜表面开始到滴液中的Cr6+被还原成Cr3+,液滴颜色由橙变为绿色止,所需时间为耐蚀时间。16℃时,板材耐蚀时间超过22min。盐雾试验按规定经336小时连续盐雾腐蚀,氧化膜未出现白色或灰黑色腐蚀点。两相检验均符合航标要求。

4结论

本试验选出的FS1作防粉剂及防粉热封闭工艺,经过生产实践证明:封闭氧化膜耐蚀性好,防粉效果好,槽液稳定,无有害物污染。